基于电荷泵改进型CMOS模拟开关电路

当前VLSI 技术不断向深亚微米及纳米级发展，模拟开关是模拟电路中的一个十分重要的原件，由于其较低的导通电阻，极佳的开关特性以及微小封装的特性，受到人们的广泛关注。模拟开关导通电阻的大小直接影响开关的性能，低导通电阻不仅可以降低信号损耗而且可以提高开关速度。要减小开关导通电阻，可以通过采用大宽长比的器件和提高栅源电压的方法，可是调节器件的物理尺寸不可避免地会带来一些不必要的寄生效应，比如增大器件的宽度会增加器件面积进而增加栅电容，脉冲控制信号会通过电容耦合到模拟开关的输入和输出，在每个开关周期其充放电过程中会消耗更多的电流，时间常数t=RC, 充放电时间取决于负载电阻和电容，使得开关的速度变慢，同时增大宽长比也增加了器件的成本。当前减小导通电阻的普遍办法是提高开关管的栅电压。

1 传统模拟开关原理及栅增压原理


图1 传统模拟开关

在MOS 技术中，传统的开关实现就是一个PMOS 管和一个NMOS 管并联，如图1 所示，A 和B 两端分别为传送信号的输入、输出端，两个管子的栅极分别由极性相反的信号来控制。由于MOS管的源极和漏极可以互换，因此这个电路的输入、输出端也可以互换，它可以控制信息双向流通，就像一个双向开关。工作过程：当控制信号S=1 时，PMOS 管和NMOS管均导通，传输门接通，信号畅行无阻；当控制信号S=0 时，PMOS 管和NMOS 管均截止，传输门关闭，开关断开。当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管是并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS 传输门的优点。
1.1 模拟开关分析

CMOS 开关的导通电阻为：



展开为：



其中un 和up 表示NMOS 管和PMOS 管迁移率；Cox 表示器件的栅氧化层电容；Vg 表示NMOS 管栅电压，Vthn|Vthp|分别表
示NMOS 管和PMOS 管的阈值电压，如果设计时取


时，式（2）可化简为：



导通电阻将不随输入信号改变而改变，可等效为一个恒定阻值的电阻，如式（3），不会引起模拟信号的失真，由于导通电阻是由两个电阻并联，所以阻值较单管开关小得多，使得开关速率又得到提高。从式（3）中可以知道MOS 开关为了能提高速度和精度，需要抬高NMOS 管的栅电压。增加栅电压最直接的办法就是提高电路的电源低压，但是从低电压系统角度来说这增加了成本，因此需要加一个电源电路，最好的办法是芯片内部产生一个电压来增加栅电压。

1.2 栅增压原理

栅增压原理是依靠电荷泵的工作原理：先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。本文中所用的电容式电荷泵采用电容器来贮存能量，通过电容对电荷的积累，电容A 端接时钟信号Clk，当A 点电位为0 时，B 点电位为Vdd；当A点电位为Vdd 时，由于电容两端的电压不会突变，理想情况下，此时B 点电位被抬升为2Vdd，因为电荷泵的有效开环输出电阻存在，使得实际情况B 点电位低于2Vdd。


图2 栅增压基本电路

2 改进型模拟开关电路设计

2.1 电路描述和分析

图4 为本文设计的栅增压电路，M3 和M4 组成了一对传输门，可以保证输入信号在高低电压无损失地传输到传输门的另一端。M1 的栅极接反相器的输出端，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，M1 的作用是当开关连通且时钟信号为高电平时，保证电容电压抬升后不会迅速放电使电容正极板电位为0。M2 的栅极接时钟信号CLK，漏源两端分别接电容正极板和电源电压，它的作用是当开关关闭时，M2 导通时使电容正极板电位保持在电源电压。下面分析该电路的工作情况：

当开关关闭时，S 为低电平，M1 导通，保证电容正极板上的电压最低为VDD，此时M3 和M4 都不导通，信号不能达到输出端。当开关导通时，S 为高电平，M1 截止，时钟为低电平时，M2 和M5 导通，M1 和M6 关闭，电容充电至P-Vds；CLK为高时，由于电容两边电压不会突变，电容正极板上的电压会被抬升至原来的两倍。

从上面分析可知，所有跟开关栅端电压连通的电压都是和输入信号无关的，因此开关导通电阻与输入信号无关，可以大大抑制信号有关的电压损失，保证了信号的线性度和器件的可靠性。


图3 栅增压仿真结果


图4 改进型栅增压电路

2.2 性能仿真及结果分析

基于NEC0.35umCMOS 工艺的模型参数，采用Spectre 模拟软件，对图3 进行模拟仿真。电源电压为5V，输入信号singlin为500KHZ，信号幅度5V,电荷泵时钟为100MHZ，电容为1.8pf，仿真得到了开关导通电阻随Vg 电压的变化（图5）、电荷泵抬升后的电压（图6）和输出信号结果（图7），可见，导通电阻在大于电源电压时急剧降低，电容正极板上的电压可以抬升至9V，输出电压波形比较理图想，损耗很小，几乎没有。


图5 开关导通电阻的DC 仿真结果


图6 栅电压tran 仿真结果


图7 输出电压仿真结果

3 结语

本文分析了CMOS 模拟开关对传输信号的影响。利用电荷泵技术，设计了一种5V 电源电压下的模拟开关，该器件适用于0~5V 的输入信号，并能将0~5V 的时钟信号抬升到0~10V，从而具有更好的线性特性和更小的导通电阻，大大降低信号的失真。对开关电路进行了分析，采用Spectre 软件，基于NEC0.35um CMOS 工艺条件进行仿真，验证了该结构的线性度和可靠性。